KR100962192B1

KR100962192B1 - 내연기관의 가변밸브 제어장치 및 방법

Info

Publication number: KR100962192B1
Application number: KR1020070121456A
Authority: KR
Inventors: 유학모
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2010-06-10
Also published as: KR20090054663A; US7512480B1; CN101446212B; CN101446212A

Abstract

본 발명은 슬라이딩 모드 제어기법을 이용하여 캠 샤프트의 위상 각도를 제어하여 엔진 상태에 따라 원하는 목표 위치에 캠 샤프트를 위치시키는 내연기관의 가변 밸브 제어장치이다.

본 발명은 시동 온 상태에서 캠 샤프트의 위상을 검출하여 제어기에 제공하는 캠 센서와 크랭크 샤프트의 위상을 검출하는 크랭크 센서, 크랭크 샤프트 및 캠 샤프트의 위상에 따라 제어를 위한 목표 캠 샤프트의 위상을 결정한 다음 목표 위치에 캠 샤프트를 위치시키기 위해 슬라이딩 제어로직으로 가변밸브장치를 제어하는 제어기 및 제어기에서 인가되는 제어신호에 따라 캠 샤프트의 위상을 조정하여 현재 엔진 조건에 맞는 목표 위치에 캠 샤프트를 위치시키는 가변밸브장치를 포함한다.

캠 샤프트, 가변밸브장치, 위상, 캠 센서, 슬라이딩 모드

Description

내연기관의 가변밸브 제어장치 및 방법{System for control a variable valve of internal combustion engine and method thereof}

본 발명은 내연기관에 관한 것으로, 더 상세하게는 슬라이딩 모드 제어기법을 이용하여 캠 샤프트의 위상 각도를 제어하여 엔진 상태에 따라 원하는 목표 위치에 캠 샤프트를 위치시키는 내연기관의 가변 밸브 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

내연기관의 성능, 특히 가솔린 엔진의 성능은 각 엔진 사이클 동안 연소실에 얼마나 적정한 공기를 넣을 수 있는가에 달려있다.

이를 구현하기 위해서 유압식 가변밸브장치를 가솔린 엔진에 적용하여 밸브 타이밍을 조절하면서 적정한 공기를 실린더 내부에 공급하고 있다.

일반적으로 많이 적용되는 유압식 가변밸브장치는 엔진 속도가 낮거나 엔진 오일이 저온일 경우 구동장치 자체의 토크가 증대되어 구동하기 어려우며 작동 각이 크지 못한 단점이 있다.

이를 개선하기 위하여 최근에는 기존 유압식을 대체한 전자식 가변밸브장치 도입이 활성화되고 있다.

전자식 가변밸브장치는 기존 유압식에 비해 빠른 응답 속도를 가지고 있으며 오일압을 필요로 하지 않으므로 기존 오일 펌프의 용량을 줄 일 수 있고, 엔진 속도가 낮거나 엔진 오일이 저온일 경우에도 구동할 수 있어 시동 부하를 저감할 수 있고 저온 배기 가스 배출량을 낮출 수 있는 장점을 가지고 있다.

또한, 전자식 가변밸브장치는 유압식에 대비하여 작동 각이 크므로 부분 부하에서는 연비를 항상 시킬 수 있으며 전부하 영역에서는 흡기 및 배기 밸브의 오버랩을 최대화하여 흡기 부압을 감소시켜 펌핑(Pumping) 손실을 줄일 수 있으므로 엔진 출력을 증대시킬 수 있다.

이러한 장점을 갖는 전자식 가변밸브장치는 전자 클러치에 의해 구동되는 방법과 모터로 구동되는 방법이 있다.

전자 클러치에 의해 구동되는 방법은 가격은 저렴하나 제어하기가 어려우며 모터로 구동되는 방법은 고가이나 제어하기 쉬운 장점이 있다.

전자식 가변밸브장치에 대한 종래의 기술로 일본특허공개 2002-276310호에 게시되어 있다.

종래의 기술에서 캠 샤프트의 위상 각도를 제어하기 위해서는 엔진제어수단은 엔진상태에 따라 계산된 기준 위상 각도와 캠 센서를 통해 검출되는 현재의 위상 각도를 비교하여 위상 각도의 차(△θ)가 설정된 오차값(e) 보다 작은지를 판단한다.

상기의 비교 곁과 위상 각도의 차(△θ)가 설정된 오차값(e) 보다 작은 상태이면 현재의 조건을 유지하는 위상 유지제어를 실행하여 클러치 해제 코일과 브레 이크 제어 코일에 전류를 인가하지 않는다.

그러나, 위상 각도의 차(△θ)가 오차값(e) 보다 큰 상태이면 "0" 보다 큰 값인지를 판단하여 크면 클러치 해제코일과 브레이크 제어코일에 전류를 인가하여 진각 제어를 실시하고, "0" 보다 작으면 클러치 해제코일과 브레이크 제어코일에 전류를 인가하여 지각 제어를 실행한다.

전술한 바와 같이 클러치 해제코일과 브레이크 제어코일에 전류를 인가하거나 차단하는 온/오프 형식으로 캠 샤프트의 위상 각도를 제어하는 경우 제어 응답성, 위상 오차 및 엔진 상태에 따라 보정 맵이 설정되어야 하는 문제점이 있다.

즉, 캠 샤프트의 위상 각도를 제어하여 엔진 상태에 따라 캠 샤프트의 위치를 목표 위치로 제어하기 위해서는 보정 맵에 설정된 보정값을 적용하여야 하므로, 캠 샤프트의 위상 각도를 최적의 상태로 제어할 수 없는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 슬라이딩 모드 제어기법을 이용하여 엔진의 상태에 따라 캠 샤프트의 위상 각도를 안정되게 제어하여 원하는 목표 위치에 캠 샤프트를 신뢰성 있게 위치시키도록 하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 내연기관의 가변밸브 제어장치는,
시동 온을 유지하는 상태에서 캠 샤프트의 위상을 검출하여 제어기에 제공하는 캠 센서;

크랭크 샤프트의 위상을 검출하여 제어기에 제공하는 크랭크 센서;

크랭크 샤프트 및 캠 샤프트의 위상에 따라 제어를 위한 목표 캠 샤프트의 위상을 결정한 다음 목표 위치에 캠 샤프트를 위치시키기 위해 슬라이딩 제어로직으로 가변밸브장치를 제어하는 제어기;

제어기에서 인가되는 제어신호에 따라 캠 샤프트의 위상을 조정하여 현재 엔진 조건에 맞는 목표 위치에 캠 샤프트를 위치시키는 가변밸브장치를 포함한다.

상기 제어기는 캠 샤프트의 위상 신호와 크랭크 샤프트의 위상 신호를 동기화시켜 캠 샤프트 각도를 추출하는 동기화부;

동기화부에서 추출된 캠 샤프트의 각도와 엔진조건에 따라 설정되는 목표 캠 샤프트의 각도를 비교하여 편차를 추출하는 비교기;

비교기에서 추출된 편차에 따라 캠 샤프트의 위치를 진각 혹은 지각의 위치로 가변시키는 제어부;

제어부의 제어신호에 따라 캠 샤프트의 위치가 목표 캠 샤프트의 위치를 추종하도록 가변밸브장치를 작동시키는 구동부를 포함한다.

삭제

또한, 본 발명의 특징에 따른 내연기관의 가변밸브 제어방법은,

엔진의 조건에 따라 캠 샤프트의 위상을 제어하기 위한 기준 캠 각도를 설정하는 과정;

현재의 캠 각도와 엔진 회전수 및 엔진 오일의 온도를 검출하는 과정;

슬라이딩 평면을 설정한 다음 기준 캠 각도에서 현재의 캠 각도를 차 연산하여 캠 각도의 오차를 계산하는 과정;

계산된 오차가 최소 허용오차로 결정되는 기준값 이상인지를 판단하는 과정;

캠 각도의 오차가 기준값 이하이면 가변밸브 제어 듀티값을 유지하고, 캠 각도의 오차가 기준값 이상이면 슬라이딩 평면을 유지할 추정 인가전류를 계산하는 과정;

상기 슬라이딩 평면에서 구해진 비선형 출력과 추정 인가전류를 이용하여 인가전류를 계산하는 과정;

상기 계산된 인가전류를 구동 듀티비로 변환한 다음 가변밸브 장치를 작동시켜 캠 샤프트의 위치를 조정하는 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명은 슬라이딩 모드로 가변밸브장치를 제어함으로써, 오일 온도의 조건에 관계없이 캠 샤프트의 위치 조정이 안정되게 제공되어 제어의 신뢰성과 이에 따른 엔진 성능을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 내연기관의 가변밸브 제어장치에 대한 개략적인 구성을 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 캠 센서(100)와 크랭크 각 센서(200), 제어기(300) 및 가변밸브장치(400)로 구성된다.

캠 센서(100)는 내연기관이 시동 온을 유지하는 상태에서 캠 샤프트의 위상을 검출하여 제어기(300)에 제공한다.

크랭크 센서(200)는 내연기관이 시동 온을 유지하는 상태에서 크랭크 샤프트의 위상을 검출하여 제어기(300)에 제공한다.

제어기(300)는 상기 캠 센서(100)에서 검출되는 캠 샤프트의 위상과 크랭크 센서(200)에서 인가되는 크랭크 샤프트의 위상을 분석하여 제어를 위한 목표 캠 샤프트의 위상을 결정한 다음 슬라이딩 제어로직으로 가변밸브장치(400)를 제어하여 엔진 상태에 따라 목표로 하는 위치에 캠 샤프트를 위치시킨다.

가변밸브장치(400)는 상기 제어기(300)에서 인가되는 제어신호에 따라 캠 샤프트의 위상을 조정하여 엔진 조건에 맞는 목표 위치에 캠 샤프트를 위치시킨다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 내연기관의 가변 밸브 제어장치에 대한 상세 구성을 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 상기 제어기(300)는 동기화부(310)와 비교기(320) 제어부(330), 보상부(240) 및 구동부(340)을 포함한다.

동기화부(310)는 캠 센서(100)에서 검출되는 캠 샤프트의 위상에 대한 구형파 신호와 크랭크 센서(200)에서 검출되는 크랭크 샤프트의 위상에 대한 구형파 신호를 처리한 다음 두 신호의 정보를 동기화시켜 캠 샤프트 각도를 추출한다.

비교기(320)는 상기 동기화부(310)에서 추출된 현재의 캠 샤프트의 각도와 운전조건에 따라 설정되는 목표 캠 샤프트의 각도를 비교하여 그에 대한 결과를 출 력한다.

제어부(330)는 상기 비교기(320)에서 인가되는 비교 결과에 따라 캠 샤프트의 위치를 가변 조정하기 위하여 진각 혹은 지각의 위치로 가변시키는 제어신호를 출력한다.

구동부(340)는 상기 제어부(330)에서 인가되는 제어신호에 따라 전자식 클러치 타입으로 이루어지는 가변밸브장치(400)의 작동을 제어하여 캠 샤프트의 위치가 현재의 엔진 상태에서 추출되는 목표 위치에 위치되도록 한다.

삭제

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 내연기관에서 가변 밸브의 제어절차를 도시한 흐름도이다.

가변 밸브가 적용되는 엔진에서 제어기(300)는 엔진의 조건에 따라 캠 샤프트의 위상을 제어하기 위한 기준 캠 각도(θr)를 설정한다(S101).

이후, 캠 센서(100)로부터 현재의 캠 각도(θ)를 검출하고 크랭크 센서(200)의 정보로부터 엔진 회전수를 계산한다.

그리고, 엔진 오일의 온도를 검출하고, 캠 각도의 변화율을 계산한다(S102).

상기 엔진 회전수 및 엔진 오일 온도의 조건에 따라 가변밸브 장치의 제어 성능이 변화하므로, 이를 보상하기 위하여 엔진 회전수 및 엔진 오일 온도의 상태에 해당하는 전류 보상값을 설정된 맵(MAP)으로부터 계산한다(S103).

이후, 계산된 오차 값과 오차 값의 변화율을 이용하여 슬라이딩 평면(S)를 설정한다(S104).

그리고, 기준 캠 각도(θr)에서 현재 엔진 조건에서 검출되는 캠 각도(θ)를 차 연산하여 캠 각도의 오차를 계산하여 결과 값이 최소 허용오차로 결정되는 기준값 이상인지 판단한다(S105).

상기 S105의 판단에서 캠 각도의 오차가 기준값 이하이면 상기 S102의 과정으로 리턴되고, 오차가 기준값 이상이면 슬라이딩 평면을 유지할 조건인 추정 인가전류를 계산한다(S106).

그리고, 계산된 슬라이딩 평면으로부터 구해진 비선형 출력과 추정 인가전류를 이용하여 인가전류(Ieq)를 계산한다(S107).

이후, 상기 인가전류(Ieq)를 구동 듀티비로 변환한 다음(S108) 듀티 신호를 출력하여 클러치 타입의 전자식 가변밸브 장치를 작동시켜 캠 샤프트의 위치를 목표로 하는 위치에 조정시킨다(S109).

도 5는 엔진오일의 온도가 60℃이고, 엔진 회전수가 2,000RPM인 조건에서 본 발명에 따른 전자식 가변밸브장치를 슬라이딩 기법을 적용하여 제어한 결과를 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이 실질적으로 제어되는 캠 샤프트의 각도가 엔진 조건에 따 라 설정된 기준 캠 샤프트의 각도를 추종하는 것으로 실험 결과 검출되었다.

도 6은 엔진오일의 온도가 0℃이고, 엔진 회전수가 2,000RPM인 조건에서 본 발명에 따른 가변밸브장치를 슬라이딩 기법으로 제어한 결과를 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 특별한 파라미터의 튜닝 없이도 실질적으로 제어되는 캠 샤프트의 각도가 엔진 조건에 따라 설정된 기준 캠 샤프트의 각도를 추종하는 것으로 실험 결과 검출되었다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 내연기관의 가변 밸브 제어장치에 대한 개략적인 구성을 도시한 도면이다.

삭제

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 전자식 가변밸브장치를 슬라이딩 기법으로 제어한 결과를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 캠 센서 200 : 크랭크 센서

300 : 제어기 400 : 가변밸브장치

Claims

내연기관의 가변밸브 제어장치에 있어서,

상기 내연기관이 시동 온을 유지하는 상태에서 캠 샤프트의 위상을 검출하여 제어기에 제공하는 캠 센서;

크랭크 샤프트의 위상을 검출하여 제어기에 제공하는 크랭크 센서;

상기 크랭크 샤프트 및 캠 샤프트의 위상에 따라 제어를 위한 목표 캠 샤프트의 위상을 결정한 다음 목표 위치에 캠 샤프트를 위치시키기 위해 슬라이딩 제어로직으로 가변밸브장치를 제어하는 제어기;

상기 제어기에서 인가되는 제어신호에 따라 캠 샤프트의 위상을 조정하여 현재 엔진 조건에 맞는 목표 위치에 캠 샤프트를 위치시키는 가변밸브장치를 포함하는 내연기관의 가변밸브 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 제어기는 캠 샤프트의 위상 신호와 크랭크 샤프트의 위상 신호를 동기화시켜 캠 샤프트 각도를 추출하는 동기화부;

상기 동기화부에서 추출된 캠 샤프트의 각도와 엔진조건에 따라 설정되는 목표 캠 샤프트의 각도를 비교하여 편차를 추출하는 비교기;

상기 비교기에서 추출된 편차에 따라 캠 샤프트의 위치를 진각 혹은 지각의 위치로 가변시키는 제어부;

상기 제어부의 제어신호에 따라 가변밸브장치를 작동시켜 캠 샤프트의 위치를 목표 캠 샤프트의 위치로 추종시키는 구동부를 포함하는 내연기관의 가변밸브 제어장치.
삭제
내연기관의 가변밸브 제어방법에 있어서,

엔진의 조건에 따라 캠 샤프트의 위상을 제어하기 위한 기준 캠 각도를 설정하는 과정;

현재의 캠 각도와 엔진 회전수 및 엔진 오일의 온도를 검출하는 과정;

슬라이딩 평면을 설정한 다음 기준 캠 각도에서 현재의 캠 각도를 차 연산하여 캠 각도의 오차를 계산하는 과정;

계산된 오차가 최소 허용오차로 결정되는 기준값 이상인지를 판단하는 과정;

캠 각도의 오차가 기준값 이하이면 가변밸브 제어 듀티값을 유지하고, 캠 각도의 오차가 기준값 이상이면 슬라이딩 평면을 유지할 추정 인가전류를 계산하는 과정;

상기 슬라이딩 평면에서 구해진 비선형 출력과 추정 인가전류를 이용하여 인가전류를 계산하는 과정;

상기 계산된 인가전류를 구동 듀티비로 변환한 다음 가변밸브장치를 작동시켜 캠 샤프트의 위치를 조정하는 과정을 포함하는 내연기관의 가변밸브 제어방법.
제4항에 있어서,

상기 가변밸브장치의 제어 성능 변화를 보상하기 위하여 설정된 맵으로부터 엔진 회전수 및 엔진 오일 온도의 상태에 해당하는 전류 보상값을 계산하는 내연기관의 가변밸브 제어방법.
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